Aparatos para la enseñanza de las leyes físicas del siglo XIX

Laboratorio de Física del I.E.S. Ibáñez Martín

FELIU Y PÉREZ, BARTOLOMÉ: Curso elemental de Física experimental y aplicada y nociones de Química Inorgánica.

CALORÍMETRO DE LAVOISIER Y LAPLACE

COLECCIÓN

Termología

FUNCIONAMIENTO

 

Sirve para determinar el calor específico de un cuerpo por el método de la fusión del hielo. Es un vaso cilíndrico de hojalata barnizada sostenido por un trípode y terminado internamente por un embudo. En su interior se adapta otro vaso semejante terminado interiormente por un tubo con llave que atraviesa el vaso exterior. En una especie de rejilla metálica se coloca el cuerpo cuyo calor específico se quiere determinar. En el interior de los vasos concéntricos se pone hielo, y también en la cestilla. El calor que cede el cuerpo funde una cierta cantidad de hielo, que se mide abriendo la llave del depósito interno y recogiendo el agua fundida que se pesa. De esta manera, y conociendo la temperatura a la que se introdujo el cuerpo, se puede medir su calor específico. La llave del depósito externo es para dar salida al agua que despide el hielo del compartimento exterior. Posee una tapadera que permite cerrarlo perfectamente. Está aislado térmicamente del ambiente exterior. Un termómetro, que está siempre inmerso, marca la a temperatura da agua contenida en el calorímetro. El esquema ilustra el funcionamiento. Se ve un vaso lleno de agua revestido por un aislante térmico como el aire. En ese vaso está inmerso un termómetro que acusa, por ejemplo la temperatura de 20ºC. Se coloca fragmentos de un metal (por ejemplo, hierro a 60ºC) dentro del calorímetro. La temperatura del agua, inicialmente de 20ºC, sube, porque el metal cede calor, hasta que las temperaturas del agua y de la esfera tengan el mismo valor t, de equilibrio. Este valor depende de diversos factores, entre los cuales la cantidad de agua presente en el calorímetro, la masa de los fragmentos, las respectivas temperaturas del agua y del metal.

Equivalente en agua
Lo ideal seria que el aparato no intercambiase calor calor con el ambiente aunque en la práctica, apenas se intercambia calor debido al aislamiento. Cuando sumerge un cuerpo caliente en el agua de el calorímetro, este calienta tanto el agua como el recipiente, la parte inmersa del termómetro y el material aislante térmico en contacto con el recipiente. Se nota, asimismo, que no todo el calor es utilizado para calentamiento del agua. Imaginamos, entonces, que tenemos más agua de la realmente contenida dentro del calorímetro. Es posible, de ese modo, determinar una cantidad de agua ideal, equivalente a aquella parte del calorímetro que es calentada. Mediremos esa cantidad de calor cedida al calorímetro, y entonces determinaremos su equivalente en agua. El proceso es simple. Introduciremos al aparato una cantidad conocida de calor, vertiéndose, por ejemplo, una determinada masa de agua a cierta temperatura. De esa manera, es fácil calcular en que cantidad deberá aumentar esa temperatura. El aumento real, entretanto, será menor, pues el calor se disipa en las paredes del recipiente, del termómetro, del material aislante, etc. Para conseguir buenas medidas, es necesario homogenizar la temperatura del agua del calorímetro, antes de leer el termómetro. Se usa un agitador, (vidrio o metal) colocado dentro del calorímetro y cuyo equivalente en agua es avalado juntamente con los del termómetro y del recipiente. La cantidad de calor desarrollada en cualquier reacción que ocurre dentro del calorímetro es igual a la masa del hielo derretida multiplicada por el calor de la fusión del hielo, 333,51 kJ/kg.

FUNDAMENTO MATEMÁTICO

CALORIMETRÍA: Es la parte de la física que estudia el calor y sus medidas.

Unidades: Caloría ( cal ).  ( Joule, en el S.I.)   1 cal = 4,186 J        1 Cal = 1 Kcal = 1 000 cal = 4 186 J = (3,97 Btu)

Capacidad térmica de un cuerpo (C mayúscula) C=Q/Δt J / K  o también cal / oC

Calor específico de una sustancia (c minúscula). Es la razón entre la cantidad de calor que la sustancia cambia y el producto entre su masa y la variación de temperatura sufrida. c=Q/(m·Δt)  J / kg·K   o también cal/g· oC. En la tabla vemos el calor específico de algunos cuerpos

sustancia

en cal/g oC

sustancia

en cal/g oC

agua 

1,00

hielo

0,55

aluminio

0,22

latón

0,094

arena

0,20

mercurio

0,033

cobre

0,093

oro

0,032

chumbo

0,031

plata

0,056

estaño

0,055

vapor de agua

0,48

hierro

0,11

vidrio

0,20

éter

0,56

alcohol

0,58

acetona

0,52

concreto

0,20

etanol

0,59

metanol

0,61

silicio

0,17

titanio

0,054

Calores de combustión

Combustible

Calor de Combustión (cal/g)

gas hidrógeno

29 000

gas natural

11 900

gasolina

11 100

óleo diesel

10 900

alcohol etílico

6 400

leña

2 800 a 4 400

Ec. fundamental de la calorimetría    Q=m·c·Δt

 Donde:  Q= cantidad de calor    m=masa del cuerpo    c=calor específico    Δt=variación de temp.     Los cuerpos al estar en contacto, intercambian calor. La ecuación que cumplen es la siguiente: Q1+Q2+Q3+ ... +Qn=0      El calorímetro se usa para estudiar los intercambios de calor entre cuerpos o sustancias

APLICACIONES

Medir el calor producido cuando se produce la combustión de un compuesto. Para medir calores de mezcla, de reacción y de inmersión. Para diferentes tipos de procesos microbiológicos en biología y medicina. Para medir temperaturas del orden de los 0,001 ºC. Etc.

BIBLIOGRAFÍA

DELGADO, Mª ÁNGELES, LÓPEZ, J. DAMIÁN Y OTROS: La recuperación del material científico de los gabinetes y laboratorios de Física y de Química de los institutos y su aplicación a la práctica docente en secundaria, en XXI Encuentros de Didáctica de las Ciencias Experimentales. Servicio editorial UPV, 2004, pp.361-380.

FELIU Y PÉREZ, BARTOLOMÉ: Curso elemental de Física experimental y aplicada y nociones de Química Inorgánica. Sexta edición. Imprenta de Jaime Jepus, Barcelona, 1886.

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